三维可控探针纳米加工系统及其关键技术研究

Nano-structures and devices have unique advantages in the aspects of mechanical, physical and chemical properties, which have been successfully utilized in the fields of MEMS, sensing, communication, medical and daily life. Fabrication of nano-structures has been becoming the leading-edge research in precision engineering and nanotechnology. Aiming at the requirements of tip-based nanofabrication, this research will investigate the mechanical design optimization theory of 3D nano-structure controllable machining system. The reliable and accurate nano-fabrication principle and prototype technique will be firstly investigated, and then the kinematics and dynamics of the proposed mechanism will be developed. Further, the sensing, measurement and control methodologies of micro/nano- cutting force will be explored. Accordingly, a DSP-based control system will be established. Finally, the nano-fabrication techniques for improving machining accuracy and quality will be performed. This research not only establishes the key enabling techniques underpinning the fields of nanotechnology and further improves the nano-fabrication level of China, but also provides great potential applications in scientific and engineering areas.

纳米结构和器件在机械、物理和化学性能方面具有独特优势，已初步成功应用在微机械系统、传感、通信、医疗和日常生活等领域。面向纳米结构和器件的加工与制造技术业已成为国际精密工程和纳米技术的前沿课题。本项目密切结合基于探针刻划方法的"自顶向下"纳米制造重大需求，研究三维可控纳米结构和器件加工系统的机械结构优化设计理论，开发高可靠性和可控性的机械纳米加工原理与样机技术，构建所开发机构的运动学与动力学模型，研究微/纳切削力的传感、测量和控制新方法，建立基于高性能数字信号处理方法的数控系统搭建技术，探讨保障三维纳米结构和器件的加工精度和质量的工艺方法。该项研究不仅对提高我国纳米制造技术水平具有重要的理论价值和工程实践意义，而且还具有广阔的应用前景。

本项目密切结合三维微纳结构加工的需求，针对现有设备加工精度低，深度控制能力差等问题，开发一种具有三维精密控制能力的三维微纳结构加工系统。解决了系统结构优化设计、微/纳位移和力的传感与测量以及定位系统控制策略与算法等关键技术问题。针对开发的精密定位平台，构建了精密定位平台的动力学、运动学模型，提出了基于逆运动模型的控制方法以及运动解耦算法。开发了集电磁驱动、弹性支撑与位移测量的新型测头系统，分析了不同电磁结构参数对电磁力的影响，开展了弹性支撑机构的参数优化与改进设计，有限元分析了探针悬挂机构的静动态特性。建立了探针尖端模型，搭建了三维微纳加工系统的物理样机，完成了基于光滑粒子流体动力学的微纳刻划仿真和相应的实验验证，探讨了加工参数、探针几何尺寸以及样品材料性能对微纳加工过程的影响。相关理论研究成果在IEEE/ASME T Mechatronics、Robotic and Computer Integrated Manufacturing、Review of Scientific Instruments等国内外高水平学术刊物发表论文(SCI/EI) 15篇，授权国家发明专利4项。培养硕/博士研究生5人。出国学术交流和参加国际会议5人次，邀请国外专家来华交流3人次。